Solarzellen spielen eine wichtige Rolle bei der Transformation zu einer nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Energieversorgung. Aus gutem Grund sieht man die charakteristischen Solarmodule auf immer mehr Dächern.
Solarzellen nutzen die Sonnenenergie als erneuerbare Energiequelle. Die Sonne ist eine unerschöpfliche Ressource, die täglich riesige Mengen an Energie produziert. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, die begrenzt sind, bietet Solarenergie eine nachhaltige Lösung für unsere Energiebedürfnisse. Der Betrieb von Solarzellen erzeugt keine schädlichen Emissionen, wie es bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen der Fall ist. Durch den Einsatz von Solarenergie können wir den Ausstoß von Treibhausgasen und anderen Luftschadstoffen reduzieren, was zur Bekämpfung des Klimawandels und zur Verbesserung der Luftqualität beiträgt.
Außerdem ermöglichen Solarzellen eine dezentrale Energieerzeugung. Sie können auch in Gegenden ohne ausreichendes Stromnetz installiert werden, zum Beispiel in Entwicklungsländern.
Hauptbestandteil: Silicium
Solarzellen bestehen aus dünnen Schichten von Silicium. Silicium ist ein Halbleiter. Halbleiter leiten den elektrischen Strom nur mäßig; Metalle leiten Strom gut, Isolatoren gar nicht. „Den elektrischen Strom leiten“ heißt in diesem Fall: Die negativ geladenen Elektronen können sich im Material bewegen, wenn ein elektrisches Feld anliegt (s. unten).
Der photoelektrische Effekt
Die Funktion von Solarzellen beruht auf dem photoelektrischen Effekt: Trifft Energie in Form von Licht auf Materie, können Elektronen diese Energie aufnehmen.
Elektronen sind negativ geladene Teilchen; sie sind in jeder Materie reichlich vorhanden und bilden sozusagen den Kitt zwischen den Atomen – Chemiker sprechen von Bindungen. Im Falle des Siliciums sind die Silicium-Atome über ihre Elektronen fest im Kristallgitter miteinander verbunden (Abb. 1).
Auch auf der Oberfläche des Halbleiters Silicium werden durch Lichtstrahlen Elektronen losgelöst, sie werden Im Kristallgitter beweglicher. Damit fließt aber noch lange kein Strom. Allenfalls nimmt die elektrische Leitfähigkeit von Silicium durch Bestrahlung zu.
Abb. 1. Siliciumatome im Kristallgitter (© Volker Quaschning [1], [2], mit freundlicher Genehmigung modifiziert).
Der Trick mit der Dotierung
Die vom Licht losgelösten Elektronen müssen sich in eine vorgegebene Richtung bewegen. Erst dann kann ein Strom fließen. Für diese Richtung sorgt ein elektrisches Feld mit Plus- und Minus-Pol. Die negativ geladenen Elektronen bewegen sich dann in Richtung des Plus-Pols.
Das dafür notwendige elektrische Feld erreicht man durch die Methode der unterschiedlichen Dotierung und Erzeugung einer Grenzfläche zwischen den Gebieten. (Die Funktion von Dioden und Transistoren und damit die moderne Computer- und Nachrichtentechnik beruht auf Dotierung.)
Werden bei der Herstellung von dotiertem Silicium einzelne Silicium-Atome im Kristallgitter durch Phosphor-Atome ersetzt, spricht man von n-Dotierung. Phosphor-Atome haben ein Elektron mehr als Silicium-Atome. Im n-dotierten Silicium herrscht damit ein Elektronen-Überschuss (Abb. 2).
In p-dotiertem Silicium sind dagegen einzelne Silicium-Atome durch Bor-Atome ersetzt. Das Bor-Atom hat ein Elektron weniger als das Silicium-Atom. In einem mit Bor dotierten Silicium herrscht damit ein Elektronen-Unterschuss (Abb. 3). Physiker sprechen auch von "Löchern."
Abb. 2. n-Dotierung (Phosphor): Elektronenüberschuss
Abb. 3. p-Dotierung (Bor): Elektronenunterschuss (Löcher). (Beide Abb.: © Volker Quaschning [1], [2], mit freundlicher Genehmigung modifiziert).
An der Grenzfläche einer n-dotierten Silicium-Schicht zu einer p-dotierten Schicht (pn-Grenzfläche) entsteht ein elektrisches Feld, weil die beweglichen Elektronen aus der n-Schicht (Elektronen-Überschuss) in die p-Schicht (Elektronen-Unterschuss = Löcher) wandern (blaue Pfeile, Abb. 4):
Abb. 4. Elektrisches Feld entsteht durch Wanderung von Elektronen aus der n-dotierten Schicht in die p-dotierte Schicht (© Volker Quaschning [1], [2], mit freundlicher Genehmigung modifiziert).
Aufbau einer Solarzelle
Die obere Schicht dieses Aufbaus (in der Regel die n-Schicht) ist transparent und kann damit von Lichtstrahlen (Photonen) getroffen werden. Die dadurch gelösten Elektronen wandern in Richtung des elektrischen Pluspols. Über elektrische Kontakte an der Ober- und Unterseite dieser Doppelschicht wird dann ein Stromkreis geschlossen, und elektrische Arbeit kann verrichtet werden (Abb. 5).
Die aktiven Schichten einer Solarzelle sind sehr dünn. Sie bestehen aus einer ca. 0,001 mm dünnen n-dotierten Schicht, die auf das ca. 0,6 mm dünne p-dotierte Silicium-Substrat aufgebracht wurde [3].
Abb. 5. Aufbau einer Solarzelle (© Volker Quaschning [1], [2]).
Es gibt grundsätzlich polykristalline und monokristalline Solarzellen. Polykristalline werden durch Gießen zu Blöcken und Zuschneiden hergestellt (Beispiel in Abb. 6). Monokristalline werden aus gezüchteten Silicium-Einkristallen geschnitten.
Abb. 6. Polykristalline Silicium-Solarzellen in einem kommerziellen Photovoltaik-Modul der Firma Q-Cells (Georg Slickers, Polycristalline-silicon-wafer 20060626 568, CC BY-SA 3.0.)
Wirkungsgrad von Solarzellen
Auf dem Markt und in Forschungslaboratorien gibt es eine große Zahl verschiedener Solarzellen aus verschiedensten Materialien und für unterschiedliche Technologien und Einsatzbereiche. Dieser Text verzichtet bewusst auf die Aufzählung der verschiedenen Typen von Solarzellen. Er beschränkt sich darauf, die Funktionsweise zu erklären.
Der Wirkungsgrad (Effizienz) einer Solarzelle ergibt sich aus dem Verhältnis von abgegebener elektrischer Energie zur einstrahlenden Lichtenergie. Der Wirkungsgrad von Solarzellen auf der Basis von Silicium ist in den Jahren von 1980 bis 2020 beeindruckend gesteigert worden. Er liegt bei polykristallinen Solarzellen bei 14 – 20 %. Monokristalline Silicium-Solarzellen erreichen 16 – 24 %; sie sind aber teurer als polykristalline [4].
Quellen
[1] Volker Quaschning: So funktioniert eine Solarzelle (s. oben)
[2] Volker Quaschning: Regenerative EnergieSysteme. Carl Hanser München 2021, ISBN 978-3-446-47163-4.
[3] LEIFIphysik: Silizium-Solarzellen (Stand: 19.07.2023)
[4] Alles zum Wirkungsgrad von Solarzellen (Stand: 22.07.2023)
Der Beitrag wurde vom Arbeitskreis Öffentlichkeitsarbeit der Seniorexperten Chemie, einer Fachgruppe der Gesellschaft Deutscher Chemiker, erstellt.
Autor: Dr. Wolfgang Gerhartz (bearbeitet durch kjs, Redaktion FaszinationChemie)
In unserer Rubrik „Chemie überall“ geht es um chemische Verbindungen oder chemische Verfahren, die wir im Alltag nutzen oder um Substanzen, die immer mal wieder in den Schlagzeilen sind. Die Beiträge in leicht verständlicher Form sind von Chemikerinnen und Chemikern geschrieben. Alle Beiträge der Reihe: https://faszinationchemie.de/chemie-ueberall
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